气体超声流量计在天然气流量计量中的应用分析.pdf

第 5 l 卷第 6期 2 0 1 5 年 1 2月 石油化工自动化 AUTOMATI ON I N P ETR _ CHEMI C AL I NDUS TRY VO l _ 5 1 ，No ． 6 No v e mb e r ，2 0 1 5 气体超声流量计在天然气流量计量 中的应用分析 王存伟 中国石 化股 份有限公司 中原油 田分公 司 天然气产销 厂 ， 河南 濮 阳 4 5 7 1 6 2 摘要 根据G B ／ T 1 8 6 o 4 2 0 1 4 用气体超声流量计测量天然气流量 ， 介绍了超声波流量计在天然气流量计量中的应用， 阐述 了时差法超声波流量计的测量原理， 分析了现场安装技术条件， 从软件和硬件方面介绍了超声波流量计测量天然气流量系统构 成 ； 通过数据 比对的方法对超声波流量计的计 量效果进行验证 。结果证 明其准确性及可靠性高 ， 便于对贸易交接气量进行监督 检查 ， 以此提高计量精细化管理水平 。 关键词 超声波流量计储气库天然气流量测量 中图分类 号 T H 8 1 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 6 0 0 6 9 0 4 Appl i c a t i o n An a l y s i s o f Ga s Ul t r a s o ni c Fl o wm e t e r i n Na t ur a l Gas Fl o w M e as u r e m e nt W a n g Cun w e i Na t u r a l Ga s Pr o d u c t i o n Ma r k e t i n g P l a n t ，S i n o p e c Z h o n g y u a n Oi l Fi e l d，Pu y a n g，4 5 7 1 6 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ap p l i c a t i o n o f u l t r a s o n i c f l o wme t e r i n n a t u r a l g a s f l o w me a s u r e me n t i s i n t r o d u c e d a c c o r d i n g t o l a t e s t s t a n d a r d o f GB ／ T 1 8 6 0 4 -- 2 0 1 4 “Me a s u r e me n t o f n a t u r a l g a s f l o w b y g a s u l t r a s o n i c f l o w me t e r s ” ．Th e me a s u r e me n t p r i n c i p l e o f t i me d i f f e r e n c e u l t r a s o n i c f l o wme t e r i S e x p o u n d e d ．Th e o n s i t e t e c h n i c a l i n s t a l l a t i o n c o n d i t i o n s a r e e v a l u a t e d ．Th e s y s t e m c o n s t i t u t i o n o f n a t u r a I g a s f l o w me a s u r e me n t wi t h u l t r a s o n i c f l o wme t e r i S i n t r o d u c e d f r o m t h e a s p e c t s o f s o f t wa r e a n d h a r d wa r e ． Th e me a s u r e me n t r e s u l t o f u l t r a s o n i c f l o wme t e r i s v e r i f i e d t h r o u g h d a t a c o mp a r i s o n me t h o d ．Th e r e s u l t p r o v e s t h e a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y o f u l t r a s o n i c f l o wme t e r a r e h i g h， a n d i s e a s y t o s u p e r v i s e a n d i n s p e c t e x c h a n g e g a s a mo u n t f o r t r a d e t o i mp r o v e me t e r i n g d e l i c a c y ma n a g e me n t ． Ke y wo r d s u l t r a s o n i c f l o wme t e r ；g a s s t o r a g e ；n a t u r a l g a s ；f l o w me a s u r e me n t 中原油田天然气产销厂承担着“ 文 9 6 ” 储气库 的运行管理工作并接收榆济管线外部来气 ， 使用超 波流量计计量储气库注采气量和榆济管道外部 来气气量 。随着天然气长输管道 的建立和集输站 场输气量 的提高 ， 超声 波流量计 的应 用越来越广 泛 ， 为更好地在天然气计量工作 中使用超声波流量 计 ， 根 据 2 0 1 4年 国 家 颁 布 的最 新 标 准 GB ／ T 1 8 6 0 4 --2 0 1 4 { 用气 体 超声 流 量计 测 量天 然 气 流 量 _ 1 ， 以柳屯增压站榆济采气为例进行研究 ， 开展 关于超声波流量计安装条 件、 流量计量 、 维护保养 等研究活动 。 1 研究内容 1 ． 1 测量原 理 目前使用 的超声波流量计主要基 于时差法测 量原理， 是通过测量高频声脉冲传播时间得出气体 流量 的速度式 流量计 。传播时间通过在管道外或 管道 内成对的换能器之问传送 和接收到 的声脉冲 进行测量 。声脉 冲沿斜线方 向传播 ， 如 图 1所示 ， 图 1 单声道超声波工作原理示意 注 L 直线传播距离 ； z 垂直 传播距离 ； 一管径。 顺流传送的声脉冲被气流加速 ， 而逆流传送 的声脉 冲则会被减速。其传播 时间差与气体的轴向平均 流速有关 ， 从而使用数值计算技术计算出在工作条 件下通过气体超声流量计 的气体轴 向平均流速 和 流量。只有 1 个声道的流量计称为单声道气体超 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 7 2 2 ， 修 改稿收 到 日期 2 0 1 5 0 9 2 2 。 作者简介 王存伟 ， 男， 现就职于中国石化股 份有 限公 司 中原 油 田 分公司天然气产销厂 ， 从事天然气集输计量管理工作 ， 任工程师 。 声 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 石油化 自动化 第 5 1 卷 声流量计 ， 有 2 个或 2个以上声道的流量计称为多 声道气体超声流量计 。超声换能器与气体直接接 触时 ， 称为插入式超声流量计 ； 超声换能器不与气 体直接接触时 ， 称为外夹式超声流量计 。 声脉冲的传播时间可通过下式计算 r t l c -- v x 一 ／ L 1 r t 2 一 c 4 - v x 一 ／ L 2 式中 t 。 反向传输时间， s ； t z 一 正向传输时间， s ； t 广天 然 气 流 体 速 度， m／ s ； 声 速， Ⅱ s ； L 一 一 直线传播距离， m； 一 一 垂直传播距离， m。 由式 1 和式 2 得出 2 川 ．t 1 9 “‘ L f t 。 一 2 t 1 t ， 3 4 天然气 的工况 瞬时体积流量 叽， 可通过下式 计算 q v 一 v S 5 S x D／ 2 6 式中 q 工况条件下天然气的瞬时体积流量 ， I T I 。 ／ h ； S 管道 的横截面积 ， I T I ； D管径 ， F n 。 1 ． 2流 量测 量 标况 条件 下 瞬 时体 积 流 量 按 照 下 式 进 行计算 qv f 等 ㈩ 一 一 ’ ‘ 。 式中 q 标准参 比条件下 的瞬时体积 流量， I T I 。 ／ h ； q 工 作 条 件 下 的 瞬 时 体 积 流 量， i n 。 ／ h ； 标准参 比条件下的绝对压力 ， MP a ； 工作条件 下的绝对静压 力 ， MP a ； T n 标 准参比条件下的热力学温度 ， K； 丁f 工作 条件 下 的热力学温度， K； Z 标准参 比条件下 的压 缩 因子 ， 按 GB ／ T 1 7 7 4 7 1 9 9 9计算得 出； Z 工作条件下的压缩因子 ， 按 GB ／ T 1 7 7 4 7 1 9 9 9 计 算得出。 标准参 比条件下的累积体积流量按下式计算 一 J q v , d t 8 式中q 标准参比条件下在 t 。 ～ t 阶段的累 积体积流量 ， 1 T I ／ h ； t o 进行 累积流量积分 的初 始时间， S ； 进行累积流量积分的结束时间， s 。 1 ． 3 现场安装技术条件 1 ． 3 ． 1 温度 流量计 的安装应满足工作介质温度为一2 0 ～ 6 0℃， 工作环境温度为一4 0 ～6 0℃， 应根据安装点 具体的环境及工作条件 ， 对流量计组件采取必要的 隔热 、 防冻及其他遮雨 、 防晒等保护措施。中原地 区常年温度在 一1 5 ～5 0℃ ， 满足超声波流量计所 需 的介质温度和工作 温度 。冬季根据指定 的操作 规程及时采取保温处理 。 1 ． 3 ． 2 振 动 流量计的安装应尽可能避开振动环境， 特别要避 开可引起信号处理单元、 超声换能器等部件发生共振 的环境。该站安装有 4台增压机组 ， 超声波流量计安 装位置与增压机组直线距离超过了 1 0 0 I T I ， 能有效避 免增压机组工作时对超声波流量计的影响。 1 3 ． 3 电气噪声 在安装流量计及其相关的连接导线时， 应避开 可能存在较强电磁或电子干扰的环境 ， 否则应咨询 制造厂并采取必要的防护措施。为防止电磁干扰 ， 该厂根据仪器仪表安装标准规范 ， 提出超声波流量 计现场线缆施工标准 ， 要求如下 。 1 超声波信号电缆与具有强电场和强磁场 的 电器设备和电缆之间的距离要大于 1 ． 5 I T I ， 带屏蔽 的电缆穿金属保护管时应大于 0 ． 8 m； 不同电压等 级的电缆小应敷设在同一电缆槽或保护管 内， 或采 取金属管隔离措施。 2 电缆敷设严格按照规范要求施工 。埋地敷 没电缆埋深大于 7 0 c m， 而且要埋于冻土层 以下 ， 上下铺 1 0 0 mm厚的沙子 ， 沙上盖一层砖或混凝土 护板 ， 覆盖宽度至少大于电缆边缘的 5 0 mm。 3 自动计量系统根据需要设置保护接地 、 信 号回路接地和屏蔽接地 ， 并保证接地可靠 ， 接地 电 阻符合标准要求 。 4 系统的防雷防浪涌设备按要求 安装 到位 ， 并保证可靠接地 ， 接地电阻小于 1 Q。 5 流量计 或仪表 严格按 照相关标 准安 装施 r ， 避免安装不规范 、 应力和其他 因素影响其稳定 性和准确度 。 1 ． 3 ． 4 声学噪声 流量计的安装应尽量防止声学噪声对测量性能 产生的不利影响。在调压计量站中， 流量计通常应 安装在调节阀的上游。该站超声波流量计在安装初 期时并没有考虑到噪声对流量计计量的影响 ， 由于 日均来气量在 1 1 O ， 气体流速大， 压力高 ， 在流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 王存伟．气体超声流量计在天然气流量计量中的应用分析 量计运行后时常发出刺耳的气流声 ， 经过一个月 的 运行后发现其噪声无法消除， 尤其在来气量大的情 况下尤为明显。根据超声波流量计测量原理， 超声 波能量转换器发出超声用于测量 ， 外界噪声势必对 其计量造成影响， 为消除噪声对流量计计量的影响， 后期在超声波流量计安装的下游管段增加了弯管 ， 通过缓冲气量流速来降低噪声的产生。 1 ． 3 ． 5 脉动 应考虑在流量计附近可能存在的流动脉动 ， 并 采取适 当的措施， 尽量减小脉动导致的附加测量不 确定度。超声波流量计在安装 时为防止天然气在 管道中经过弯管等节 流部件产生紊 流、 脉动 等现 象 ， 在上游直管段安装了天然气整流器 。 1 ． 4系统设计 针对以上技术要求 ， 具体系统设计如下 根据 文献E l i 的要求 ， 使用超声波流量计进行天然气标 准参比条件下的体积流量测量 ， 所需软硬件组成如 图 2所示 mA 信号 图 2 超声波流量计计量软硬件组成示意 1 ． 4 ． 1 超声波流量计 该站安装了 1台 DN2 5 0气体超声流量计 ， 计 量榆济输气线来气 ， 日均气量为 1 1 0 i n 。 图 5 。 该流量计具有 4个及 以上超声波测量 声道 ， 能对 输送管道 中的天然气进行高精度 的测量 。流量计 通过接收成对超声换能器的声波信号 ， 经 由信号采 集电路和 DS P微控制器组成的信号处理单元进行 运算处理、 显示、 储存记录测量结果 ， 并转换成标准 的 4 ～2 0 mA 、 R S一 2 3 2 ／ R S一 4 8 5 ／ 以太 网 支持标 准 Mo d b u s 协议 和脉冲输出信号 。 1 ． 4 ． 2 压力传感器 下游直管段上安装压力变送器 ， 用于测量被测 气体的压力 ， 输出标准的 4 ～2 0 mA信号 ， 通过专 用计算机双屏蔽铠装线缆接 到流量计算机上用于 压力补偿。 1 ． 4 ． 3 温度变送器 下游直管段上安装有温度一体式变送器 ， 用于 测量被测气体 的温 度， 输 出标准 的 4 ～2 0 mA信 号 ， 通过专用计算机双屏蔽铠装线缆接到流量计算 机上用于温度补偿。 1 ． 4 ． 4 流量计算机 榆济线来气贸易交接采用标准参 比条件下的 体积流量 。柳屯增压站采用流量计算机与超声波 流量计 、 压力传感器、 温度传感器相结合完成标况 流量的测量 ， 该流量计算机具有高精度补偿运算 、 数据显示存储以及运用网络实现通信的功能 。 流量计算机在流量计算时， 通过串口通信或频 率输入方式采集流量计的工况流量信息 ， 并采集温 度和压力变送器提供 的信 号 支持 HAR T信号 ， 可 以保持输入精度 参与标准状况的体积修正。流 量计算机满足 G B ／ T 1 8 6 0 3 --2 0 0 1 { 天然气计量系 统技术要求 及 J J G 1 0 0 3 --2 0 0 5 { 流量积算仪检定 规程 等相关规定 一 ， 其 内部 系统软件 的设 计合 理 ， 计量管理功能齐全 ， 具有安全 的数据库系统与 大容量 的储存能力 ， 各种被测参数的历史记录 、 报 警记录及配置参数修改记录等都能可靠保存 6 a 以上。该产品经过周密的可靠性设计 ， 具有 良好的 电磁兼容和可靠性。在体积量运算方面采用了以 下几种计算气体压缩因子 简称 z因子 的方法， 如 G B ／ T 1 7 7 4 7 ， AGA NO． 8 ， I S O 1 2 2 1 3 。对 于一些特定场所 ， 也可以采用 固定的 Z因子。 1 ． 5 运行维护保养 针对标准 中对超声波流量计运行维护保养的 要求l l ， 制订 了E t 常操作、 维护保养操作规程 ， 并形 成作业指导书 设备操作规程计量仪表分册 。操 作规程 中对超声 波流量计 、 温度变送器、 压力变送 器的运前检查、 投运操作、 停运操作、 清洗拆卸操作 做了明确的规定 。 1 ． 6 数 据 比对 由于超声波流量计用于天然气分公 司和天然 气产销厂贸易交接计量 ， 为了加强对流量计的管理 和输 差 考 核， 该 厂 采 用 标 准 孔 板 流 量 计 配 套 F l o b o s s 1 0 3流 量管 理器 对 来气 同步计 量 ， 通 过 P L C采集流量管理 器输 出的 Mo d b u s信号 ， 读 取 瞬时流量 、 温度 、 压力 、 差压、 当 日流量和累计流量 等参 数 ， 通过组 态软件 显示 相关参 数 ， 2 0 1 5年 1 月 、 2月的比对数据见表 l 所列 。通过 比对超声波 流量计和标准孔板流量计的流量计量， 控制输差在 0 ． 5 左右 ， 有效控制输差损耗造成的经济损失 ， 计 量数据管理可控。 2 实施效果分析 根据文献E I J 规定的内容 ， 实施超声波流量计在 天然气流量计量方面的应用 ， 得出以下分析结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 石油化工 自动化 第 5 l卷 表 1 柳屯增压站榆济来气计量数据比对 1 计量准确性高。经过近 1 a的运行， 超声流 量计可靠准确 ， 基本实现了 日常的“ 零” 维护 ， 相对 标准孔板流量计 ， 计量准确性更高 ， 不确定 因素少 。 标准孔板流量计受节流装 置部件 、 安装位置 、 流量 计二次仪表等多种 因素的影 响， 尤其使用过程 中腐 蚀 、 磨损 、 污油和引压管等 因素带来 的测量误差影 响更大。气体超声流量计没有如节流装置几何形 状及尺寸变化影 响仪 表特性 的问题 ，计量准确性 更高， 不确定因素少 ， 具有高精度 、 无压损 、 低能耗 、 结实耐用 、 维护少的特点。 2 计量 可靠性 高。超声 波流量计 在设 计之 初 ， 通过设计计量系统方案 ， 在流程区与标准孔板 流量计装置串联起来 ， 通过与标准孔板流量计的数 据 比对得 出， 同时对每台超声流量计进行流量数据 比对， 可 以有效避免输差过大造成 的经济损失 ， 可 大幅提高计量系统的可信度 。 3 应用前景广。由于气体超声流量计具有可测 量气体的单双向流量、 量程比大、 标定周期较长、 准确 度高、 维护工作量小等优点 ， 随着“ 文 9 6 ” 储气库的发 展和“ 文 2 3 ” 储气库的建立， 采用超声波流量计对储气 库注采气进行计量势在必行。同时， 根据天然气产销 厂 自身特点， 在外销 口使用小型超声波流量计 ， 能有 效避免因为传统流量计低限运行造成的气量损失。 3 结束语 通过对超声波流量计的测量原理 、 现场安装技 术条件 、 系统设计和数据比对等方面进行 了分析和 测试 ， 不断提高超声波流量计管理能力和计量精细 化管理水平 ， 为今后推广使用超声波流量计做好技 术储备具有重要的意义。 参考文献 [ 1 ] 段继芹， 何敏， 文代龙， 等．G B ／ T 1 8 6 0 4 2 o 1 4用气体超声 流量计 测量 天然气 流量[ S ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 2 0 1 4 ． [2] 黄和 ， 张福元 ， 游明定 ， 等．GB ，， T 1 8 6 0 3 2 0 0 1天然气 计量 系统 [ S ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 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